Московский государственный

УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)



Кафедра «Физика – I»

Ю.Н. Харитонов, Р.М. Лагидзе

Определение коэффициента теплопроводности методом нагретой нити

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО ФИЗИКЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 142

Москва – 2005

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)



Кафедра «Физика – I»

Ю.Н. Харитонов, Р.М. Лагидзе

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

Определение коэффициента теплопроводности методом нагретой нити

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО ФИЗИКЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 142

для студентов 1 и 2 курсов энергетических, строительных и

механических специальностей

Москва – 2005

УДК 591.19

Х20

Ю.Н. Харитонов, Р.М. Лагидзе Определение коэффициента теплопроводности методом нагретой нити. Методические указания к лабораторной работе №142 по дисциплине «Физика» под ред. проф. Курушина А.Д.. – М.: МИИТ, 2005. - 18 с.

Методические указания к лабораторной работе №142 «Определение коэффициента теплопроводности методом нагретой нити» предназначены для студентов 1 и 2 курсов энергетических, строительных и механических специальностей и соответствуют программе и учебным планам по физике (раздел «Молекулярная физика»).

Ил. 1 , табл.1.

 Московский государственный

Университет путей сообщения

(МИИТ), 2005

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ

Юрий Николаевич Харитонов, Раули Михайлович Лагидзе

Определение коэффициента теплопроводности методом нагретой нити

Методические указания к лабораторной работе

по физике № 142

___________________________________________________

Подписано к печати Заказ № Формат 60х84х21/16

Усл.печ.л. Изд. № Тираж 300 экз.

Цена

127994, Москва, ул. Образцова 15. Типография МИИТа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТАТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТОДОМ НАГРЕТОЙ НИТИ

Цель работы– изучение теплопроводности воздуха как одного из явлений переноса в газах.

Введение.

Выведенная из состояния равновесия, любая макросистема стремится вернуться в равновесное состояние. Энтропия при этом растет, значит этот процесс необратим. Нарушение равновесия сопровождается возникновением потоков или частиц, или тепла, или электрического заряда и др. Соответствующие процессы называют явлениями переноса. Все они являются необратимыми.

Рассмотрим три явления переноса: диффузия, внутреннее трение и теплопроводность (причем в условиях, когда отклонения от равновесия малы). Сначала приведем эмпирические уравнения этих процессов — они применимы к любым средам (газообразным, жидким и твердым). Затем получим молекулярно-кинетический вывод данных уравнений для газов, который позволит нам раскрыть содержание коэффициентов, характеризующих соответствующие явления. - В дальнейшем придется использовать понятие потока той или иной физической величины через интересующую нас поверхность S. Напомним, поток — величина скалярная и алгебраическая. Его знак зависит от выбора положительного «направления»: с одной стороны поверхности S к другой или наоборот. Положительное направление обычно выбирают произвольно (за исключением замкнутых поверхностей, где по соглашению его выбирают наружу области, ограниченной этой поверхностью).

Мы будем рассматривать потоки в основном через плоские поверхности S, перпендикулярные оси X, выбирая положительное «направление» поверхности S совпадающим с ортом оси X. Если физическая величина будет переноситься через S в направлении оси X, будем считать соответствующий поток положительным, если же в обратном направлении, то — отрицательным.

Любое явление переноса связано с неодинаковостью в пространстве определенной величины. Например, поток тепла возникает в случае неодинаковости температуры в разных точках среды. На эту особенность потоков следует обратить внимание. Та же температура — это характеристика системы в целом, а здесь мы говорим, что она разная. Приходится вводить понятие локального равновесия. В состоянии локального равновесия среда в каждой малой части своего объема находится в тепловом равновесии, однако равновесие между различными частями отсутствует.

Под малостью имеют в виду объем, размер которого намного превышает, например, среднее расстояние между соседними молекулами. При этом число частиц в таком объеме должно быть макроскопическим, чтобы можно было применять макроскопические параметры состояния теплового равновесия.

Диффузия. Так называют взаимопроникновение вещества в различных смесях, обусловленное тепловым движением молекул. Пусть смесь содержит две компоненты с парциальными плотностями и. Концентрация каждой компоненты стремится выровняться, возникают потоки массы обеих компонент, направленные в сторону уменьшения их плотностей. Экспериментально было установлено выражение для плотности потока массы i-й компоненты:

(1)

где D–коэффициент диффузии. Знак минус обусловлен тем, что потокi-й компоненты противоположен производной- ее называютградиентом плотности.

Внутреннее трение. Из механики известно, что сила трения между двумя слоями жидкости или газа, отнесенная к единице площади поверхности раздела слоев, равна

(2)

где —коэффициент вязкости (вязкость), производная - градиент скорости - характеризует степень изменения скорости жидкости или газа в направлении оси X, перпендикулярном направлению движения слоев.

Согласно 2-му закону Ньютона взаимодействие двух слоев с силой f можно рассматривать как процесс передачи в единицу времени импульса. Тогда (2) можно представить как

(3)

где - импульс, передаваемый ежесекундно от слоя к слоючерез единицу площади поверхности, т. е. плотность потока импульса. Знак минус обусловлен тем, что поток импульса противоположен по направлению градиенту .

Теплопроводность. Опыт показывает, что если в среде создать вдоль оси градиент температуры, то возникает поток тепла, плотность которого

χВт/(4)

где χ - коэффициент теплопроводности (теплопроводность). Знак минус стоит по той же причине: плотность потока противоположна по направлению градиенту .

В заключении отметим еще раз:

1) потоки всех величин являются алгебраическими. Их знак зависит от направления оси X. Достаточно обратить положительное направление этой оси на противоположное, и знак потока изменится;

2) во всех трех явлениях переноса направления плотностей потоков противоположны градиентам соответствующих величин. Это означает, что потоки всегда направлены в сторону уменьшения величин ,и, Т, т. е. против их градиентов. Таким образом, для потоков существенны градиенты величин, имеющих тенденцию выравниваться.

Перейдем к обоснованию эмпирических законов переноса с молекулярно-кинетической точки зрения, причем только для газов.